Escreva a estrutura de Lewis (e formula estrutural) mais estável para os compostos: Ácido sulfúrico, Ácido nítrico, Ácido carbônico, Ácido perclórico e Ácido sulfídrico. Justifique.
Passo 1
O que o enunciado pede: para cada um dos compostos abaixo eu devo fornecer a estrutura de Lewis mais estável e a fórmula estrutural (ou representação que mostre ligações e cargas). Compostos a analisar:
(ácido sulfúrico),
(ácido nítrico),
(ácido carbônico),
(ácido perclórico),
(ácido sulfídrico).
Informações dadas (implícitas no enunciado):
- São moléculas neutras (ácidos na forma protonada).
- Quero a estrutura de Lewis (lone pairs, ligações, cargas formais) e a justificativa da estabilidade (por exemplo: minimização de cargas formais, respeito à regra do octeto, ressonância, possibilidade de expansão do octeto para elementos do 3º período).
Passo 2
Breve revisão dos conceitos que vou usar (aula rápida, passo a passo, sem pular etapas).
-
Regra do octeto: átomos do 2º período (C, N, O) normalmente buscam 8 elétrons ao redor (contando pares de ligação e pares isolados). Elementos do 3º período (S, P, Cl) podem expandir o octeto usando orbitais d disponíveis — então podem ter mais de 8 elétrons ao redor.
-
Cálculo de elétrons de valência totais: some os elétrons de valência de cada átomo (H = 1, C = 4, N = 5, O = 6, S = 6, Cl = 7). Esses elétrons serão distribuídos em ligações (cada ligação simples usa 2 elétrons) e em pares isolados.
-
Carga formal (fórmula e ideia): a carga formal facilita escolher a estrutura mais estável. Fórmula
Princípios para estabilidade: prefira estruturas que minimizem as cargas formais absolutas e que coloquem carga negativa em átomos mais eletronegativos (p.ex. O em vez de S ou N). Ressonância estabiliza quando carga negativa é deslocalizada em átomos eletronegativos.
Passo 3
Como desenhar estruturas (metodologia prática):
- Escolha esqueleto (átomo menos eletronegativo costuma ser central; H sempre terminal).
- Ligue átomos com ligações simples.
- Subtraia elétrons usados pelas ligações do total de elétrons de valência.
- Distribua pares isolados primeiro nos átomos mais eletronegativos para completar octeto.
- Se algum átomo (especialmente C, N, O) ficar com menos que 8, formam-se ligações múltiplas (dupla/tripla) transformando pares isolados em ligações.
- Calcule cargas formais e, se possível, altere ligações para minimizar cargas formais e colocá-las em átomos mais apropriados.
Vou aplicar esse procedimento a cada ácido, explicando cada passo com contas e justificativas.
Passo 4
Ácido sulfúrico
: determinação passo a passo.
-
Elétrons de valência:
, cada (4 6 = 24), cada (2 1 = 2). Total elétrons de valência. -
Esqueleto:
central ligado a quatro ; dois desses ligados a (são grupos ). Esqueleto: com duas outras O ao redor. -
Começo com ligações simples: S–O (4 ligações simples) e dois O–H. Ligações usam
ligações simples = elétrons. Restam elétrons para pares isolados. -
Distribuo pares isolados nos oxigênios (mais eletronegativos). Cada O precisa completar octeto. Se deixarmos todas O como ligadas por simples a S e completarmos octeto com pares, o S teria apenas 8 elétrons? Vamos testar: Se todos O tiverem 3 pares isolados além do par ligado (no caso dos O ligados a H, cada O tem 2 pares não-ligantes), o cálculo de cargas formais dá cargas altas. Em vez disso, devemos formar duplas ligações S=O em alguns oxigênios para reduzir cargas formais.
-
Estrutura candidata estável: S ligado a duas O por ligações duplas (S=O) e a duas O por ligações simples, cada uma dessas últimas com um H (OH). Vamos checar octetos e cargas formais.
-
Verificação do octeto:
- Cada O duplamente ligada: tem 2 pares isolados + ligação dupla → octeto OK.
- Cada O em OH: tem 2 pares isolados + ligações simples a S e H → octeto OK.
- S: tem 4 ligações (duas duplas + duas simples). Contagem de elétrons ao redor de S =
elétrons — ou seja, S tem 12 elétrons (expansão do octeto), o que é permitido para S (3º período).
-
Cálculo de cargas formais:
- S: valência
. Não-ligantes . Elétrons ligantes . . - O duplo: valência
, não-ligantes , ligantes . . - O em OH: valência
, não-ligantes , ligantes (uma ligação com S e uma com H contadas juntas). . H tem . - Resultado: todas cargas formais zero. Excelente — estrutura muito estável.
- S: valência
- Conclusão para
: a estrutura mais estável tem S central com duas ligações duplas S=O e duas ligações simples S–O–H (dois grupos OH). Essa distribuição minimiza cargas formais (todas zero) e utiliza a capacidade do S de expandir o octeto.
Passo 5
Ácido nítrico
: passo a passo.
-
Elétrons de valência:
, , (3 6 = 18). Total elétrons. -
Esqueleto: N central ligado a três O; um desses O ligado a H (OH). Esqueleto:
(mais precisamente com N central e três O ao redor). -
Começo com ligações simples: N–O (3 ligações) e O–H (1 ligação). Ligações = 4 →
elétrons usados. Restam elétrons. -
Distribuo pares isolados nos O para completar octetos. Se deixarmos todas ligações simples, teremos carga negativa em oxigênio(s) e íon desequilibrado internamente. Uma alternativa com melhores cargas formais é formar uma dupla ligação N=O em um dos oxigênios que não tem H.
-
Estrutura canônica (mais estável como mistura de ressonância): N ligado a um O por dupla (N=O), ligado a outro O por dupla (ou melhor: há ressonância entre duas formas), e ligado ao O–H por ligação simples. Contudo é importante notar que N não pode ter 10 elétrons (não costuma expandir octeto), então a melhor descrição é: N com uma dupla e duas ligações simples, mas com cargas formais distribuídas — a ressonância entre as duas não-protonadas O distribui a carga negativa.
Construa uma forma detalhada:
- Uma forma:
com o terceiro O sendo . Neste desenho, N tem carga formal , um dos oxigênios não protonados tem carga , e o OH é neutro. Há ressonância trocando qual O carrega a carga negativa entre os dois O não protonados.
- Verificação:
- N (com uma dupla e duas simples): CF
. - O duplo: CF
. - O ligado a H (OH): CF
. - O simples não protonado: CF
.
Soma das cargas:. Ressonância entre as duas possíveis localizações da dupla/charges (troca do duplo entre as duas O não protonadas) delocaliza a carga negativa e torna a espécie mais estável.
- Conclusão para
: a estrutura mais estável é aquela onde N está ligado a três O, com um O protonado (OH), e o par restante de não-protonados forma ressonância em que a carga negativa é delocalizada; formalmente descrevemos como uma ressonância entre
e . Essa escolha minimiza energia por delocalização da carga negativa e cumpre o octeto em N (N tem 8 elétrons: uma dupla + duas simples).
Passo 6
Ácido carbônico
: passo a passo.
-
Elétrons de valência:
, (2 1 = 2), (3 6 =18). Total . -
Esqueleto: C central ligado a três O; dois desses O ligados a H (dois grupos OH) ou mais precisamente:
é a forma típica proposta. -
Tentativa de estrutura: C=O (uma dupla) e duas C–O–H (duas ligações simples para OH). Ligações: C faz 3 ligações (uma dupla + duas simples) → C tem 4 pares de ligação totalizando 8 elétrons (octeto completo). Distribuo pares isolados nos O:
- O carbonílico (C=O) terá 2 pares isolados,
- cada O–H terá 2 pares isolados.
- Cálculo de cargas formais:
- C: valência 4, não-ligantes 0, ligantes 8 elétrons → CF
. - O carbonílico: CF
. - O em OH: CF
, H neutro.
Resultado: todas cargas formais zero. Não há necessidade de recorrer a ressonância significativa para estabilizar (não há carga a deslocalizar). A estrutura
é a mais estável.
- Conclusão para
: a melhor estrutura tem um carbono carbonílico ( ) e dois grupos . É a forma canônica com tudo neutro e octeto respeitado.
Passo 7
Ácido perclórico
: passo a passo.
-
Elétrons de valência:
, , (4 6 =24). Total elétrons. -
Esqueleto:
central ligado a quatro oxigênios; um desses O está protonado (OH). Esqueleto: . -
Distribuição inicial: se colocarmos apenas ligações simples, teríamos muitas cargas negativas nos O; melhor é formar ligações múltiplas (dobras) entre Cl e alguns O. Cl é do 3º período, pode expandir seu octeto, então pode formar ligações duplas com alguns O sem problema.
-
Estrutura usual e mais estável: uma representação prática é Cl ligado por três duplas (Cl=O) e por uma ligação simples a
(Cl–O–H). Vamos checar cargas formais:
- Cl: valência
. Ligantes: três duplas (3×4 e-) + uma simples (2 e-) totalizando 14 elétrons ligantes; não-ligantes 0. CF . - O dupla: cada uma CF
. - O em OH: CF
(o H compensa). - H: neutro.
-
Observação sobre ressonância: quando a molécula perde o H (na base conjugada
, o íon perclorato), a carga negativa fica completamente deslocalizada entre os quatro oxigênios por ressonância. Na molécula protonada , a estrutura com três Cl=O e uma Cl–O–H é a melhor representação canônica porque minimiza as cargas formais e aproveita a capacidade de expansão do octeto do Cl. -
Conclusão para
: estrutura com central, três ligações duplas e uma ligação simples (ou, equivalente, uma forma em que o caráter de ligação é distribuído por ressonância nos oxigênios quando desprotonado). Essa estrutura minimiza cargas formais.
Passo 8
Ácido sulfídrico
(ácido sulfídrico / sulfureto de hidrogênio): passo a passo.
-
Elétrons de valência:
, (2 1 = 2). Total elétrons. -
Esqueleto: S central ligado a dois H:
. -
Ligações simples S–H (2 ligações) usam
elétrons. Restam elétrons para pares isolados; esses ficam como dois pares isolados sobre o S. -
Octeto: S possui 2 ligações (4 elétrons) + 4 elétrons não-ligantes = 8 elétrons → octeto satisfeito (S tem dois pares isolados e duas ligações). Cálculo de cargas formais: S e H têm CF zero.
-
Geometria (rápida): molécula angular (análoga à água), com ângulo H–S–H ≈
(menor que em água porque S é maior e pares isolados ocupam mais espaço). Esta informação geométrica explica propriedades físicas (p.ex. polaridade). -
Conclusão para
: estrutura simples com S central, duas ligações S–H e dois pares isolados em S, todas cargas formais zero — é a estrutura mais estável.
Passo 9
Resumo/justificativas finais das escolhas (regra prática e por que essas são as mais estáveis):
- Minimização de cargas formais é o critério principal: estruturas onde as cargas formais são zero ou pequenas e onde cargas negativas ficam em átomos eletronegativos (O) são preferidas.
- Para elementos do 3º período (S, Cl) é aceitável expandir o octeto; isso permite formar ligações múltiplas que minimizam cargas formais (ex.:
, ). - Ressonância estabiliza estruturas que, sem ela, teriam cargas localizadas (ex.:
com carga negativa nos oxigênios não protonados; no ânion perclorato a carga é completamente deslocalizada). - Para átomos do 2º período (C, N, O) evita-se exceder o octeto; por isso em
a melhor representação envolve N com formal +1 e oxigênios que compartilham a carga negativa por ressonância, e em a forma com um C=O e dois O–H é neutra e ótima.